JP2663386B2 - Variable structure PI controller - Google Patents

Variable structure PI controller

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JP2663386B2
JP2663386B2 JP1074485A JP7448589A JP2663386B2 JP 2663386 B2 JP2663386 B2 JP 2663386B2 JP 1074485 A JP1074485 A JP 1074485A JP 7448589 A JP7448589 A JP 7448589A JP 2663386 B2 JP2663386 B2 JP 2663386B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はPI制御装置に係り、特に可変構造PI制御装置
においてスライデングモードの制御特性を効用してより
安定かつバストな制御系をなす可変構造PI制御装置に関
するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a PI controller, and more particularly, to a variable-structure PI controller which utilizes a sliding mode control characteristic to form a more stable and more robust control system. The present invention relates to a structural PI controller.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般的な電動機速度制御系を例にとり記述する。 A general motor speed control system will be described as an example.

第7図はPI制御系の従来例を示すもので、1はPI制御
装置、2は制御対象である。ここに、R,Yは夫々設定入
力,状態量であり、したがって速度制御系例では、Rが
速度命令、Yが速度検出出力である。
FIG. 7 shows a conventional example of a PI control system, in which 1 is a PI control device, and 2 is a control target. Here, R and Y are a setting input and a state quantity, respectively. Therefore, in the example of the speed control system, R is a speed command and Y is a speed detection output.

すなわち、設定入力R,状態量Yの偏差eをPI補償要素
を通して制御対象に印加することにより、速度制御系を
安定化している。その一般的な安定化調整としては、慣
性Jが大きいほど比例ゲインKPを大きくし、それに応じ
て積分ゲインKIも大きくすることにより達成される。
That is, the speed control system is stabilized by applying the setting input R and the deviation e of the state quantity Y to the control target through the PI compensation element. As the general stabilization adjustments, by increasing the proportional gain K P as the inertia J is large, it is accomplished by larger integral gain K I accordingly.

かように、図示の如く通常はPI補償要素を直列に挿入
し、制御対象に応じた比例ゲインKPおよび積分ゲインKI
を調整することにより安定化を図っている。
Thus, as shown in the figure, normally, a PI compensation element is inserted in series, and the proportional gain K P and the integral gain K I according to the control target are set.
Is adjusted to achieve stabilization.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、比例ゲインKPを大きくすると定常状態
ではノイズや検出リップル等の影響で不安定になり易
く、また積分ゲインKIを大きくすると、設定入力のステ
ップ変化に際し速度のオーバーシュートが発生して好ま
しくない。
However, if the proportional gain K P is increased, it tends to become unstable in the steady state due to the influence of noise or detection ripple, and if the integral gain K I is increased, speed overshoot occurs at the step change of the setting input, which is preferable. Absent.

比例ゲインKP,積分ゲインKIを電動機等の運転状態に
応じて変化する必要があるが、一般に比例ゲインKP,積
分ゲインKIは可変抵抗器等で手動の調整を行うものとな
るため、瞬時の例えば電動機状態に応じた調整は不可能
である。
It is necessary to change the proportional gain K P and the integral gain K I according to the operating state of the electric motor, etc., but generally, the proportional gain K P and the integral gain K I are manually adjusted with a variable resistor or the like. It is not possible to make an instantaneous adjustment according to, for example, the state of the motor.

さらに、積分ゲインKIを偏差eの変化に応じて自動的
に変化する方法もあり、これは積分ゲインKIが固定の場
合よりは高機能なものとなるものの、慣性Jや粘性係数
Dの変動に十分対応できない。
Furthermore, there is also a method of automatically changed in accordance with the integral gain K I to a change in the deviation e, which although integral gain K I is assumed sophisticated than in the case of a fixed, inertial J and viscosity coefficient D Inability to cope with fluctuations.

また、より高速応答をさせようとすれば、微分補償要
素を別に追加する必要があるが、これはノイズ等の影響
を受け易く、安定化に苦労するのが常であった。
Further, in order to make the response faster, it is necessary to add a differential compensation element separately, but this is liable to be affected by noise and the like, and it has always been difficult to stabilize.

かくの如く、現在、比例ゲインKPや積分ゲインKIを運
転状態に応じて最適に調整する装置がなく、したがっ
て、試運転調整員が現地に行ってその都度苦労して調整
しているのが現状である。
As thus, currently, optimally no device for adjusting according to the proportional gain K P and the integral gain K I to the operating state, therefore, that the commissioning personnel is adjusted with difficulty each time go to the site It is the current situation.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明は上述したような点に鑑みなされたものであ
り、運転状態を偏差eとこの時間当たりの変化からな
る位相面上にとり、特にその位相面上の位置といわゆる
スライデイングモードの切替線(SL=0)からの偏差に
より、比例ゲインKP,積分ゲインKIを格別な関係式によ
り変化さすようにしてなるものである。
The present invention has been made in view of the above-described points, and takes an operating state on a phase plane including a deviation e and a change per unit time. In particular, the position on the phase plane and a so-called sliding mode switching line ( The proportional gain K P and the integral gain K I are changed by a special relational expression according to the deviation from S L = 0).

なお、この場合のKP,KIの最小値や、スライデイング
モードの切替線の勾配C等はスライデイングモードの安
定条件から決め得るものである。
In this case, the minimum values of K P and K I and the gradient C of the switching line of the sliding mode can be determined from the stability condition of the sliding mode.

以下、本発明をつぎに詳細説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.

〔作 用〕(Operation)

第1図は本発明の理解を容易するため第7図に類して
示したもので、3は可変構造PI制御装置である。図中、
第7図と同符号のものは同じ機能を有する部分で示す。
FIG. 1 is similar to FIG. 7 for easy understanding of the present invention, and 3 is a variable-structure PI control device. In the figure,
Those having the same reference numerals as those in FIG. 7 are indicated by portions having the same functions.

つぎに本発明に係る可変構造PI制御装置3を第2図〜
第4図を用いて説明する。
Next, the variable structure PI control device 3 according to the present invention will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to FIG.

まずスライデイングモードの説明を、第2図に示す
(e〜)位相面軌跡に基づいて行う。
First, the sliding mode will be described based on the (e-) phase plane locus shown in FIG.

電動機の速度制御を例にとって言えば、横軸eは速度
指令と実速度との偏差であり、縦軸はその偏差eの時
間微分であるので加減速度となる。いま速度指令を上昇
した場合は、図において#1の矢印方向に制御が進む。
すなわち、速度指令を上昇した瞬間は#1の位置付近に
あり、時間経過とともに実速度は加速されて矢印方向に
進行し、電動機(e〜)位相面軌跡が予め設定した切
替線(SL=0)を通過すると、第1図に示されるKPに相
当するゲイン極性を切り替えることにより切替線上を原
点に収束させる。
Taking the speed control of the motor as an example, the abscissa e is the deviation between the speed command and the actual speed, and the ordinate is the time derivative of the deviation e, which is acceleration / deceleration. If the speed command is increased, the control proceeds in the direction of the arrow # 1 in the figure.
In other words, the moment when the speed command is increased is near the position of # 1, the actual speed is accelerated with the passage of time and progresses in the direction of the arrow, and the motor (e-) phase plane trajectory is set to the preset switching line (S L = After passing through 0), the gain polarity corresponding to K P shown in FIG. 1 is switched to converge on the switching line to the origin.

また速度指令を下げた場合は、前述と全く逆の動作と
なり、図示の#2の矢印方向の動作となる。
When the speed command is lowered, the operation is completely opposite to the operation described above, and the operation is in the direction of the arrow # 2 in the drawing.

このようにスライデイングモードは、制御対象の正確
な数式モデル化は必要でなく、入出力の状態を観測し位
相面状態を知ることで制御できる。
In this manner, the sliding mode does not require accurate mathematical modeling of the controlled object, but can be controlled by observing the input / output state and knowing the phase plane state.

したがって、非線形な対象でも制御し易く、またパラ
メータ変動や外乱の影響を受けにくい等の長所をもつ。
Therefore, it has advantages that it is easy to control even a non-linear object, and it is hardly affected by parameter fluctuations and disturbances.

しかし、外乱が持続する場合は定常誤差が生じ、また高
ゲインにするとチャタリングが発生する等の欠点があ
る。
However, there are drawbacks such as that a steady error occurs when the disturbance continues, and that chattering occurs when the gain is increased.

本発明は、かような欠点をも補うためにスライデイン
グモードとPI制御を組合せた方式を採用してなるもので
ある。
The present invention employs a system that combines a sliding mode and PI control in order to compensate for such a drawback.

しかして、比例ゲインKPおよび積分ゲインKIを、偏差
とその時間当たりの変化との関係からなる位相面におけ
る該時間当たりの変化と、スライデイングモードの切替
線との差に応じて変化させる構成をなすものであり、具
体的にはつぎの関係式による。
Thus, the proportional gain K P and the integral gain K I are changed in accordance with the difference between the change per unit time in the phase plane, which is the relationship between the deviation and the change per unit time, and the switching line of the sliding mode. It has a configuration, specifically, according to the following relational expression.

SL=Ce+ ……(3) さらに、式(1),(2)に代えて式(1′),
(2′)とする。
S L = Ce + (3) Further, instead of equations (1) and (2), equations (1 ′),
(2 ').

ここに、δ1,KPM,KIM,C>0の定数 δ≧0の定数 Sgn(SL):SLの極性 Sgn(SL・e):(SL・e)の極
性 つぎに、第1の具体例としての式(1)〜式(3)に
よるものを詳述する。
Here, δ 1 , K PM , K IM , a constant of C> 0, a constant of δ 2 ≧ 0 S gn (S L ): the polarity of S L S gn (S L · e): (S L · e) Next, the polarities according to the equations (1) to (3) as the first specific example will be described in detail.

まず、比例ゲインKP,積分ゲインKIの特性を第3図の
如くにとる。なお、第3図は式(1)において(δ
0)についてであるが、(δ≧0)についても以下と
同様に説明できる。
First, take the proportional gain K P, the characteristics of the integral gain K I to as the third diagram. FIG. 3 shows that (δ 2 =
0), (δ 2 ≧ 0) can be explained in the same manner as described below.

本特性の安定性について述べると、つぎの如くであ
る。
The stability of the characteristics is as follows.

リアプノフ関数を式(4)とし、 (SL)=SL{−A+(C−B)} ……(5) (SL>0)のとき、 (A>0)より(KI>0) ……(8) (SL<0)のとき、 (A<0)より(KI<0) ……(10) の如く、比例ゲインKP,積分ゲインKIを選定すれば、(S
L=0)の切替線は安定である。
The Lyapunov function is defined as equation (4), (S L ) = S L {−A + (CB)} (5) (S L> 0) When, (A> 0) than (K I> 0) ...... ( 8) When (S L <0) of, (A <0) than (K I <0) ...... ( 10) If the proportional gain K P and the integral gain K I are selected as
The switching line of L = 0) is stable.

さらに、リアプノフ関数を式(12)にとり、 (e)=e=−ce2<0 ……(13) となり、(e=0)が安定、すなわち切替線上を原点に
収束することになる。
Furthermore, taking the Lyapunov function in equation (12), (E) = e = −ce 2 <0 (13), and (e = 0) is stable, that is, converges on the switching line to the origin.

ここに、式(9),式(11)での比例ゲインKPの値は
通常小さいため、(SL=0)近辺では(KP0)として
問題ない場合が多い。勿論、式(1)の如くδに定数
を与えてもよい。
Here, since the value of the proportional gain K P in Expressions (9) and (11) is usually small, there is often no problem as (K P 0) near (S L = 0). Of course, a constant may be given to δ 2 as in the equation (1).

かようにして、比例ゲインKP,積分ゲインKIを第3図
の特性にすることにより、スライデイングモードの欠点
であるチャタリングは、切替線近傍で比例ゲインKPの値
を小さくすることにより減少さすことができる。一方、
切替線から離れた場合は、高ゲインにすることにより切
替線への強い拘束力をもたしている。
By setting the proportional gain K P and the integral gain K I to the characteristics shown in FIG. 3, chattering, which is a drawback of the sliding mode, can be reduced by reducing the value of the proportional gain K P near the switching line. Can be reduced. on the other hand,
When the distance from the switching line is increased, a high gain is exerted to exert a strong restraining force on the switching line.

積分ゲインKIは切替線近傍ではSL極性によりKI極性を
切替えることにより、持続外乱に強い収束性の良い制御
となる。また切替線から離れたときは、積分KIの値を小
さくして比例ゲインKPを優先さすことにより、スライデ
イングモードに入り易くしている。
Integral gain K I is by switching the K I polarity by polarity S L in the vicinity switching line, a good control of strong convergence in a sustained disturbance. Also when away from the switching line, by means preferentially the proportional gain K P to reduce the value of the integral K I, are liable to enter the sliding Day ring mode.

よって、かくの如き制御方式ではSL情報により比例ゲ
インKP,積分ゲインKIを可変することによって、とい
う微分情報が入った形となり、従来のPID相当の応答が
期待できかつスライデイングモードの有するロバスト性
を兼備えた特長を有する。
Therefore, the proportional gain K P by S L information in such control scheme thus, by varying the integral gain K I, will form containing the derivative information of the response of a conventional PID corresponds can be expected and the sliding Day ring mode It has the features of having robustness.

つぎに、第2図の具体例としての式(1′),
(2′),(3′)によるものを説明する。
Next, equation (1 '), a specific example of FIG.
(2 ') and (3') will be described.

第1図に示される可変構造PI制御系についてその状態
方程式は、 ただしe1=e e2 で表わされる。
The state equation of the variable structure PI control system shown in FIG. However, it is represented by e 1 = e e 2 = 1 .

リアプノフ関数として式(4)同様にとり、 (SL)=SL)=SL(C) =(C−B)SL 2+{−C(C−B)−A}SL・e1 ……(15) C−B<0 ……(16) にとり、(SL・e1>0)のとき、 −{C(C−B)+A}<0 ……(17) (SL・e1<0)のとき、 −{C(C−B)+A}>0 ……(18) にすれば、(SL=0)すなわち切替線は安定である。Take the formula (4) in the same manner as a Lyapunov function, (S L) = S L (L) = S L (C 1 + 2) = (C-B) S L 2 + {- C (C-B) -A} S L · e 1 (15) For C−B <0 (16), when (S L · e 1 > 0), − {C (CB) + A} <0 (17) If (S L · e 1 <0), − {C (CB) + A}> 0 (18) (S L = 0), that is, the switching line is stable.

さらに、式(12)同様にして(e=0)が安定証明で
きる。
Further, (e = 0) can be proved to be stable in the same manner as in equation (12).

式(16)より、 よって、 また、式(17),(18)より、 (SL・e1>0)のとき、 (SL・e1<0)のとき、 式(20)〜式(22)を満足さす関係として式
(1′),(2′)があり、その特性は第4図(a),
(b)となる。
From equation (16), Therefore, From equations (17) and (18), when (S L · e 1 > 0), (S L · e 1 <0), Equations (1 ') and (2') satisfy the relations satisfying the equations (20) to (22), and their characteristics are shown in FIGS.
(B).

第4図(a),(b)に示される特性は第3図とほぼ
同じであるが、比例ゲインKPの最小値、すなわち式
(1′)のδが必ずしも0近くにもっていけない場合
に、第3図したがって式(1)の如くKP極性をSL特性で
切替えていると、チャタリングが発生し易くなるための
改善である。
When 4 (a), characteristic shown in (b) is substantially the same as FIG. 3, the minimum value of the proportional gain K P, i.e. the formula (1 ') of [delta] 2 dont necessarily have to near zero , when the K P polarity as Figure 3 therefore equation (1) is switched S L characteristic, an improvement for chattering tends to occur.

なお、上記説明では(SL=Ce+)として説明した
が、(SL=Ce)としても何らさしつかえないことは同様
にして証明できる。
In the above description, (S L = Ce +) has been described. However, it can be similarly proved that (S L = Ce) cannot be used.

〔実 施 例〕〔Example〕

第5図および第6図は本発明による主要部の一実施例
を示すハード構成図およびそのソフトフロー図である。
FIG. 5 and FIG. 6 are a hardware configuration diagram and a soft flow diagram showing an embodiment of a main part according to the present invention.

すなわち第1図における演算を行う場合、まず設定入
力Rと例えば速度,位置等の状態量Yとの偏差eを検出
してその微分を演算し、(SL=Ce+)を演算する。
That is, when performing the calculation in FIG. 1, first, a deviation e between the setting input R and a state quantity Y such as a speed and a position is detected and its derivative is calculated, and (S L = Ce +) is calculated.

この時間当たりの変化は演算で求める場合と外部の
検出器より入力さす場合がある。
The change per unit time may be obtained by calculation or input from an external detector.

演算されたSLの値に応じて第3図,第4図に基づく比
例ゲインKP,積分ゲインKIを演算し時々刻々の制御を行
う。
Figure 3 in accordance with the value of the computed S L, the proportional gain K P, based on Figure 4, calculates the integral gain K I control every moment performed.

ここで、CPUには汎用CPUでも実現できるが、より高速
応答を要する場合はディジタル・シグナル・プロセッサ
(DSP)を用いれば、数10(μs)のサンプリングタイ
ムで実現できる。
Here, the CPU can be realized by a general-purpose CPU. However, when a higher-speed response is required, a digital signal processor (DSP) can be used to realize the processing with a sampling time of several tens (μs).

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明では制御対象の運転中の
偏差eとその時間微分からなる位相面情報(SL=Ce+
)を検出演算し、SLの値によりPI制御系の各ゲインを
第3図および第4図に例示した如く可変と構成したもの
である。
As described above, in the present invention, phase plane information (S L = Ce +
) Were detected operation, which is constituted with variable as illustrated each gain of the PI control system in FIGS. 3 and 4 by the value of S L.

その(SL=0)のときがスライデイングモードの切替
線に相当し、SLの値とは切替線からの方向の偏差に相
当し、かくの如く本発明制御方式によるものは、スライ
デイングモードの特長であるロバストな運転ができると
ともに、チャタリングや持続外乱に弱い等の欠点を減少
し得る、すなわち切替線に近い領域では比例ゲインKP
小さくして積分ゲインKIを大きくすることから、チャタ
リングの軽減と接続外乱に対する高応答な修正を行うこ
とができる。また、切替線より離れた領域では比例ゲイ
ンKPを大きくして積分ゲインKIを小さくすることから、
高応答でスライデイングモードに入り易いものとなる。
The case of (S L = 0) corresponds to the switching line of the sliding mode, and the value of S L corresponds to the deviation in the direction from the switching line. it is robust operation is a feature of the mode, it may reduce the disadvantages of weak such as chattering or persistent disturbance, that is, from the the region close to the switching lines to increase the integral gain K I by reducing the proportional gain K P In addition, it is possible to reduce chattering and perform a highly responsive correction to a connection disturbance. Further, in a region away from the switching line, since the proportional gain K P is increased and the integral gain K I is decreased,
It becomes easy to enter the sliding mode with high response.

よって、スライデイングモードの制御特性を巧妙に効
用してなる格別な装置を提供できる。
Therefore, it is possible to provide an extraordinary device in which the control characteristics of the sliding mode are skillfully used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の理解を容易するため示したブロック
図、第2図はスライデイングモードの説明図、第3図お
よび第4図は比例ゲインKP,積分ゲインKI特性を示す
図、第5図および第6図は本発明による主要部の一実施
例を示すハード構成図およびソフトフロー図、第7図は
従来例のPI制御系を示したブロック図である。 2……制御対象、3……可変構成PI制御装置、R……設
定入力、Y……状態量、……偏差eの時間微分、KP
…比例ゲイン、KI……積分ゲイン。
FIG. 1 is a block diagram for facilitating the understanding of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of a sliding mode, FIGS. 3 and 4 are diagrams showing proportional gain K P and integral gain K I characteristics, 5 and 6 are a hardware configuration diagram and a soft flow diagram showing an embodiment of a main part according to the present invention, and FIG. 7 is a block diagram showing a conventional PI control system. 2 ... controlled object, 3 ... variable configuration PI control device, R ... setting input, Y ... state quantity, ... time derivative of deviation e, K P ...
… Proportional gain, K I … Integral gain.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】制御対象に指示値として入力される設定入
力と該制御対象の状態量との偏差をP(比例)およびI
(積分)補償することにより、制御対象の動作を安定化
するPI制御装置において、比例ゲイン(KP)および積分
ゲイン(KI)を、前記偏差とその時間当たりの変化との
関係からなる位相面における、該偏差の時間当たりの変
化とスライディングモードの切換線との差に応じて、チ
ャタリングが生じないよう位相面(e〜e)軌跡が予め
設定した前記切換線(SL=0)を通過すると比例ゲイン
(KP)に相当するゲイン極性を切り換えることにより、
切換線上を原点に収束させることを特徴とする可変構造
PI制御装置。
1. The method according to claim 1, wherein a deviation between a setting input inputted as an instruction value to the controlled object and a state quantity of the controlled object is represented by P (proportional) and I
In a PI control device that stabilizes the operation of a controlled object by compensating (integral), a proportional gain (K P ) and an integral gain (K I ) are set to a phase comprising a relationship between the deviation and a change per unit time. in the plane, according to the difference between the switching line changes and the sliding mode hourly deviation, phase plane so that chattering does not occur (e~e) the switching line trajectory is preset (S L = 0) By switching the gain polarity corresponding to the proportional gain (K P )
Variable structure characterized by converging on the switching line to the origin
PI controller.
【請求項2】前記比例ゲイン(KP)および積分ゲイン
(KI)を、つぎの関係式、 SL=Ce+ ここに、e:偏差eの時間微分 Sgn(SL):SLの極性 定数δ1,KPM,KIM,C>0 定数δ≧0 により変化させることを特徴とする請求項1記載の可変
構造PI制御装置。
2. The proportional gain (K P ) and the integral gain (K I ) are represented by the following relational expressions: S L = Ce + where, e: Time derivative of deviation e S gn (SL): Polarity constant of S L δ 1 , K PM , K IM , C> 0 Constant δ 2 ≧ 0 The variable structure PI control device according to claim 1.
【請求項3】前記比例ゲイン(KP)および積分ゲイン
(KI)を、つぎの関係式、 SL=Ce+ ここに、 Sgn(SL・e):(SL・e)の極性 により変化させることを特徴とする請求項1記載の可変
構造PI制御装置。
3. The proportional gain (K P ) and the integral gain (K I ) are represented by the following relational expressions: The variable structure PI control device according to claim 1, wherein S L = Ce + where S gn (S L · e) is changed by the polarity of (S L · e).
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